 上文書講到了洞察號打洞失敗，原本起碼要打到地下5米，結果僅僅打了30厘米就下不去了。這次失敗實在是讓人心里堵得慌。畢竟“洞察號”是迄今為止第一個，也是唯一一個全職火星行星物理探測器，是人類探索火星內部結構和演化的重要項目，盡管它是個多快好省型項目。但是，因為研發的拖延，前前后后已經花了8億多美元了。這東西是真的不便宜。 洞察號最主要的兩項任務，一個是安放火星地震儀，這一項是相當成功的。發送回了大量的有效數據。但是第二項在火星上打洞，安裝熱流探測器，這項任務可以說是徹底失敗。難道說，這事兒靠機器干不了，非要靠宇航員親自動手來打洞？無人設備真的難以適應復雜的地質環境嗎？這是個很重要的問題，涉及到未來如何決策，到底是再次發射無人探測設備，還是說等到人類登上火星的那一天，再去研究打洞的問題？  阿波羅15、16、17號攜帶的手工鉆機 答案顯而易見，宇航員登陸火星，那不知道要拖到猴年馬月了。還是要立足于無人探測器才行。這次失敗，到底問題出在哪里呢？到底是設計缺陷導致的，還是說遇到了什么未曾預料的情況呢？ 負責研發鼴鼠的項目組表示，這是遇到了前所未見的情況，誰知道火星上的土壤到底是什么特性呢？畢竟此前也沒人在火星上打洞對吧，哪里會想到土壤的摩擦力居然是不足的。此前的探測器雖然發送回來了一些關于土壤的數據，但是天知道火星上的土壤有多少種呢？每個地方的土壤都一樣嗎？地球上的土壤千差萬別，各個地方都不一樣，火星上想必也是啊。 所以，歸根到底，這是對火星的認識還遠遠不足，以及運氣太差導致的。到了2020年，研發團隊發布的論文似乎透露了一點不一樣的信息。他們在地面測試的時候，就已經遇到了鼴鼠打洞打不下去，反而倒退著跳出來的情況。這到底是怎么回事呢？當時項目團隊在做地面測試的時候，采用了三種不同的土質來模擬火星的情況。第一種以石英砂為主。第二種是以玄武巖為主，第三種就是玄武巖碾碎以后，很灰塵混合在一起。  地面人員在沙箱里模擬鼴鼠在火星上遇到的困境，試圖尋找解決方案 結果，在第一種石英砂土壤之中，鼴鼠的打洞還比較順利。但是在第二種和第三種之中，就不那么順利了，出現了鉆不下去，加長了敲擊時間，鼴鼠反而倒退著跳出來的情況。這種情況和后來在火星上遇到的簡直是如出一轍。其實這個問題在地面測試的時候就已經出現了。 現在出了問題了，那么該如何解決呢？現實情況是根本沒時間解決。發射時間已經臨近了，不可能繼續拖下去。本來，洞察號項目只有4.5億美元的預算，由于火星地震儀拖期導致的延誤，不得不延遲兩年發射，這已經造成了預算的飆升，直接就漲了1.5億美元。后來，因為其他雜七雜八的費用上漲，整個項目已經得資金已經奔著8億美元去了。再加上這是一個多方合作項目，歐洲人出的錢不能不算，林林總總加起來，恨不得要10億美元了。  探測器去火星是需要窗口期的，不是說走就走，這個窗口期要是沒趕上，那就必須再等26個月，又要產生大筆的維護費用，這個錢到底誰出？所以，鼴鼠的研發項目組一咬牙一跺腳，就只上報了在石英砂質土壤之中的實驗結果，看上去結果還不錯。這樣不就過關了嘛，可以按期發射。結果呢，你糊弄上級，糊弄不了大自然啊。人家直接讓你在火星表面丟人現眼唄。 現在怎么辦呢？只能盡量延長洞察號的工作時間。盡量多的獲取地震數據，這樣才能值回造價。好在它在地震探測方面工作非常出色，自打它在火星上安了家以來，捕捉到了好幾百次火星地震。科學家們根據其中35次地震的數據，大致描繪出了火星內部的結構。和地球相比來講，通俗的講，皮一樣厚，瓤子比較少，核比較大。 火星的半徑差不多只有地球的一半，地球的地核半徑為3480公里。火星的內核為1830公里。半徑差不多也只有地球的一半。這個比例倒也差不多。這種球形的大行星，都經歷過分異的過程。想當初，這個大球在形成的時候，都處于熔融狀態，密度大的物質都往內核里沉淀，比較輕的物質飄在最上層，你別看地面上的石頭好像是挺沉的，其實密度并不算大。大理石和花崗巖，密度和玻璃以及鋁差不多。平均也就在2.5~3.2克/立方厘米之間。地幔組成物質就比如橄欖石、石榴石等等，這些密度就比花崗巖大多了。石榴石的密度普遍在3.5~4.3之間。  橄欖巖和橄欖石晶體 地核的處于高溫高壓環境下，主要成分是鐵鎳這種金屬，密度可以達到12克/立方厘米。火星的內核相比地球來講就小多了，沒有那么大，這就說明火星的內核一定含有比較輕的元素，比如說氫和氧。這些元素的存在，可以降低凝固點。 洞察號是固定不動的，是個非常好的無線電發射源。美國人在環繞火星的軌道上有好幾個環繞器，都可以用天線精確測量這個無線電發射源的位置和角度。地球上的大天線，可以精確的觀測這個無線電發射源。進而計算出火星自轉的精確細節。 地球和火星這種大型天體，其實都并不是老老實實的自轉，軸線始終會出現章動，也就是像攪屎棍一樣攪合。地球是受到太陽和月亮的擾動，因此才會出現這種攪屎棍一樣的章動。而且這種章動也受到地球內部地幔和地核的影響，畢竟這東西都是軟的，你不能拿它們當做剛體去對待。你去轉動一個煮熟的雞蛋和轉動一個生雞蛋，效果明顯不一樣。這就是最簡單的區分方式。 同樣，我們也可以精確測量火星的自轉情況，大致可以判斷核心到底是不是液態，到底流動性如何。所以，科學家們推測，火星的核心可能是完全液態的。地球的核心比較大，相對來講就復雜多了。地下是個高溫高壓的世界，高溫傾向于讓物質熔化，變成液體，高壓又傾向于物質變成固體。到底哪種因素占主導，這還不一定呢。地核靠外的這一層是液態的，再往下又變成固態的了。火星核心相對簡單一點，應該是全液態的。  布里奇曼石又叫橋錳礦，主要成分是硅酸錳 火星的地幔比設想的要薄一些。大約延伸到火星地表之下1560公里。和地球相比，瓤子顯得少了點。布里奇曼石是地幔上最豐富的礦物，主要成分就是硅酸錳。能夠穩定存在于下地幔的極端高溫高壓環境中，放在地面，布里奇曼石反而到不穩定了。這東西組成了地幔，包裹著整個地核，把地核裹得嚴嚴實實的，能夠減緩對流和熱量損失。 而根據已知火星的大小，研究認為，火星地幔的壓強不太可能使布里奇曼石達到穩定狀態，因此，火星可能缺乏這種礦物質，這就導致火星早期熱量的散失。所以火星涼得快。 根據“洞察”號記錄的火星內部地震波，研究團隊首次確定了火星地殼厚度。火星地殼基本上和地球是一樣厚的。但是，火星地殼也是分層的。別的地方不知道，在洞察號所在地的下方，火星地殼起碼分三層。第一層大概是8公里厚。第二層延伸到了20公里的深度，第三層大概延伸到40公里左右。 如果把這些數據推廣到火星其他地方，那么火星的地殼平均厚度應該是24~72公里之間。相比之下，地球的平均地殼厚度大概是15~20公里。只有在像喜馬拉雅山這樣的大陸地區，地殼厚度才能達到70公里。青藏高原的地殼普遍比較厚。因為青藏高原涉及到板塊的碰撞。印度板塊裝上了亞歐板塊，一部分印度板塊插到亞歐板塊下邊去了，活生生給墊高了一塊，因此才形成了青藏高原。地殼能不厚嗎？  火星內部結構，內核明顯比例偏大 這就是火星和地球最大的不同。地球的地殼也是分層的，大陸部分的地殼一般來講是分兩層的，上邊是硅酸鋁層，下邊是硅酸鎂層，海洋部分只有一層，也就是硅酸鎂層。比火星上的分層還少一層。但是地球上有板塊運動，各個板塊始終在運動，在碰來碰去。火星的地殼基本上形成以后就沒有太大的變化了。 全世界對地下的地質情況最關心的就是石油公司了。很多地質學上的發現都跟石油公司有關系。比如深埋在加勒比海里的希克蘇魯伯隕石坑，那就是石油公司搞勘探的時候不小心發現的。他們發明了一種辦法，就是利用地震波來發現地下的石油資源。這種招術，你拿來找地下水也很好用。特別是地下深處的含水層。 2024年，美國人把這種招術用在了火星上，根據洞察號發送的地震數據，他們發現在火星地下存在一個普遍的含水層。但是埋藏太深了，大概在11.5~20公里的范圍內，而且水還不少呢。可惜啊，在距地面5000米的范圍內，就一點水都沒有了。也就是說，你想打一口淺井獲得水資源，那是不可能的。在火星上鉆2萬米的洞，難度實在太大了。你別說鉆2萬米，洞察號只鉆了30厘米，這里外里差的實在太遠了。 洞察號在火星上一直工作到了2022年，它那個電池板是完全水平狀態，上邊特別容易積灰，到最后，洞察號的電力急劇下降，實在是無法完成工作了。美國人不得不結束了洞察號的任務。洞察號也算是勞苦功高了。沒辦法，你靠太陽能電池板，就不得不面對積灰的問題。所以，美國人的毅力號火星車和前輩好奇號一樣，堅決采用核電池。這樣的話才不受環境的制約。  從著陸時的光鮮亮麗到幾年之后的灰頭土臉 下一個火星窗口期是2020年的夏天。這一年的夏天非常熱鬧，因為有三枚探測器從地球出發，去往火星。最早動身的是阿聯酋的希望號，7月19號發射升空。  希望號項目經理奧蘭·沙拉夫 阿聯酋的航天研究機構動用了200名工程師，在科羅拉多大學博爾德分校大氣與空間實驗室和加州大學伯克利分校，以及亞利桑那大學的支持下。建造了這顆希望號探測器。這個探測器主要是探測火星大氣中的天氣事件，比如說沙塵暴之類的。 這個探測器重量達到1.5噸，除了本身的一些導航、無線電通信系統，主要裝了3臺科學儀器，一臺多光譜照相機，一臺紅外線光譜儀以及一臺紫外線光譜儀。就沖這個儀器搭配，您也看得出來，這東西就是拍照打卡的。阿聯酋作為一個后發國家，能拿出錢來花在航天方面而不是奢飾品上，已經算是有雄心壯志的表現了。能研發一個拍照打卡的探測器，在新手上路里邊也算是起點高的。  希望號火星探測器 阿聯酋租用了一架安-124運輸機，把這個探測器從美國運到日本的名古屋，然后從名古屋坐船運到種子島的航天發射場，最后是用日本的H-2A火箭發射升空，打響了2020年火星季的第一炮。緊隨其后的就是美國人的毅力號火星車，20號發射。又過了3天，我國的天問一號從文昌發射升空，直奔火星去也。 從這一刻開始，火星探測來了個新玩家，也就是咱們中國。而且咱們的起點很高，咱們可不是僅僅去拍照打卡，咱們要么不玩兒，要玩兒就來個大的。咱們這一次是連環繞器帶著陸器帶火星車一次搞定。 所以啊，這一次的發射重量達到了5噸，你要把5噸重的東西送到去火星的霍曼轉移軌道，必須擁有大推力的火箭。為了完成空間站的建設，為了完成深空探測任務，我國專門研制了長征五號大推力運載火箭。當然啦，長征5號的研發遇到的困難也不少，還經歷了一次歸零，所以耽誤了不少時間。  長征5號點火升空，發射天問一號 相比美蘇，我國在深空探測方面顯然是個后來者。上世紀60年代可以說是美蘇競爭的高潮。美國人在1969年實現了載人登月。咱們那時候連洲際導彈還沒整利落呢。再后來，1978年，卡特總統的國家安全事務助理布熱津斯基訪華，送給我國1克月壤。這1克月壤分成兩半，半克放在北京天文館供大家參觀，半克拿去做研究了。在當時，我國也只有羨慕的份，航天技術顯然還達不到深空探測的需求。 到上世紀90年代，科學界和航天界開始探討深空探測的問題，但是當時的重點是載人航天，先搞飛船和空間站，深空探測這種事兒不著急嘛，先往后放一放。 一直到了新世紀，這事兒才提上了議事日程。首先就從地球最近的鄰居月球開始。2004年，探月工程正式立項，主要分繞落回三步走。嫦娥1號和2號先解決繞月飛行的問題。順便搭建深空探測網絡。監控地球軌道的衛星和監控38萬公里之外的繞月探測器，難度可不是一碼事。 嫦娥1號模型 咱們中國人做事穩妥，一步一個腳印。月球就相當于深空探測的新手村，咱們就先從月球開始。嫦娥1號是2007年發射的，發射重量2.35噸，只要用長征3號甲就足以滿足發射要求了。嫦娥1號的主要目的是獲取月球表面的3D立體影像；分析月球表面有用元素的含量和物質類型的分布特點；探測月壤厚度和地球至月亮的空間環境。去月球是需要穿越范艾倫輻射帶的，以前咱們的衛星從來沒跑過那么遠，首先得熟悉熟悉宇宙空間環境。 嫦娥1號10月24號從西昌發射升空，先是繞著地球轉了幾圈，每一圈都加速一次，調整軌道，最后離開地球，10月31號，嫦娥1號順利的進入到地月之間的霍曼轉移軌道。飛了5天以后，11月5號，嫦娥1號準備開始近月制動，開發動機反推，順利進入了環繞月球的軌道。這是一個長橢圓軌道，12小時繞著飛一圈。第二天，11月6號，嫦娥1號完成第二次剎車反推，環繞月球的軌道周期變成了3.5小時。到了11月7號，第三次剎車減速，環繞軌道變成了高度200公里的圓軌道，這下基本上是調整到位了。 探測器在軌道上適應了一段時間，到了7月19號，各種儀器開機工作。11月26號，國家航天局發布了嫦娥1號拍攝的第一張月球照片，至此，嫦娥1號正式開始各項工作，繞著月亮開始各種探測任務。主要工作還是畫地圖，這都為了后續的工作做準備。 國家航天局發布的月球表面全圖 按照計劃，嫦娥1號繞著月球轉一年就算是完成任務了。但是因為入軌非常精確，省掉了多次調整軌道的麻煩，而且還剩下不少燃料。既然如此，干脆再貼近點，這樣拍照更加清楚。于是，嫦娥1號在2008年的12月6號，把軌道降低到了100公里。到了2008年的12月19號，更是貼臉開大，嫦娥1號降低到了17公里的極低軌。當然這么低的軌道只是臨時測試，很快又拉回到100公里的高空。 到了2009年的3月1號，地面控制人員擦空嫦娥1號撞擊了月球表面，撞擊點在月球上的豐富海，算是完成了嫦娥1號的最終使命。為了配合嫦娥1號的任務，我國動用了好幾座測控天線，還派出了遠望2號測量船。因為地理原因，我國還和歐空局進行合作，當月亮從我國的地平線上落下去的時候，請他們幫忙，他們的測控站在南美洲，剛好和我們互補。 嫦娥1號的軌道設計還是比較穩妥的，多兜了不少圈子。下一次，嫦娥2號就不需要這么麻煩，可以直接奔著地月轉移軌道走，但是大家當時都想不到，嫦娥2號這一桿子支出去老遠了，就沒見過這么不務正業的月球探測器。有關這檔子事，我們下回再說。 |
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